解决探究型实验方案设计问题的高三专题式复习策略

刘臣 李伏刚 贾同改 黄满霞 贾逸敏

摘要：高考评价改革突出“学习方式与学习目标相匹配的考查立意”，教师在高三备考中应该帮助学生突破高考中的热点与难点问题。基于“证明化学反应发生的方法”这一主题，进行探究型实验方案设计高三专题式复习。选取5个典型的探究内容创设教学情境，阐述了复习课的设计策略。在教学中不仅关注学生总复习阶段基础知识的落实和基本方法的建构，重点强调实验方案的设计依据，突出发展学生科学探究与创新意识的化学学科素养。

关键词：探究型实验 方案设计 设计依据 化学反应 复习策略

文章编号：1008-0546（2021）07-0063-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.017

在近年来的高考试题及评价改革中，更加突出“学习方式与学习目标相匹配”的考查立意，正确的知识结合正确的学习过程使学生收获习得的素养。纵观近几年全国各省市高考化学试卷，探究型实验方案设计的题目日益增多。此类试题考查学生灵活运用中学化学核心知识、基本技能及科学研究方法解决化学问题的能力;试题难度大、思维链条长、需要学生进行综合分析、推论预测并选取合适的角度与路径解决问题。因此，此类问题已经成为高考备考的热点与难点问题。教师如何在高三专题式复习中设计教学去攻克难点问题，帮助学生明确实验方案设计的依据和思路，找准解决问题的起点和关键点，将“解题”设计成“解决问题”，笔者进行了有益的探索和尝试。

一、问题的提出

在高三总复习阶段有关“实验方案的设计与评价”的教学中，教师往往从更为宏观的角度围绕实验目的、实验原理、实验装置步骤、注意事项等角度，引导学生进行问题框架的建构;或将习题进行分类，如“制备型实验”“探究型实验”“定量测定类实验”等等，通过“做题-讲题-反思-归纳”等环节进行重复练习。在经历一段时间的“课堂训练”后，学生虽然对试题的风格和模式有所了解，但仍然没有抓住解决实验方案设计问题的关键点，学生处于一种“漫无目的茫然的”探究状态，在答题中表现为有时能够得分，往往总是失分，还没有提升至一种稳定的作答状态，通过解题训练获得的“方法”不具有可迁移性。

王景、陈元庆认为[1]，在化学实验方案设计的教学中应该把握“物质性质及其变化”这个关键要素，据此来确定实验原理，设计反应方案。郭高峰认为[2]，化学实验方案的设计应当在遵循科学性、安全性、简约性、可行性的前提下，根据实验目的和特点，结合基本实验操作，在脑海中模拟实验操作，分段突破。周萍提出了实验方案设计的思维建模过程[3]，认为在专题复习中渗透化学建模的思想，将模型建构和复习内容进行有效整合，注重知识和方法的概括提炼，形成解决这类问题的化学思维模型。上述学者的观点均有课例实践作为支撑，收到了一定的教学效果。

在上述观点中，对于解决实验方案设计问题的起点和本质——寻找并确定实验方案的设计依据，鲜有提及。笔者认为：教师在专题式复习教学中，要教给学生如何去设计实验方案，首先要引导学生精准思考，依据什么进行设计？其内在逻辑为：先明确实验目的，寻找并确定设计依据，再基于设计依据决定设计思路，最终形成设计方案。应该说，实验方案是设计出来的，不会在头脑中自然形成。明确实验目的是解决此类问题的灵魂，设计依据则是实验设计的本源性问题，设计思路是实验方案的前期预案，而最终形成的实验方案是体现之前所有过程的结果，其基本思维框架如下图1所示。

二、探究型实验方案设计的基本教学设计策略

实验目的是实验设计的灵魂，贯穿于设计始终。在明确实验目的后，教师应积极引领学生寻找并确定设计依据。设计依据的本质是学生掌握的化学反应原理知识，依据化学反应的特点，其涵盖了反应物和生成物的性质，反应条件、化学反应进行的方向、速率、限度、能量等具体内容。对于学生而言，其分析过程的具体抓手为对化学反应方程式的多角度认识和解读——即学生依据化学反应方程式，能够解析获得反应的哪些特点？应该说，全方位深刻理解化学方程式的含义，是我们进行化学实验方案设计最为本质的依据之一。

例如，我们在探究酸和碱发生中和反应时，盐酸和氢氧化钠溶液混合无明显现象，为了验证反应的发生，我们利用酚酞指示剂对碱的显色作用，依据反应过程中溶液颜色的变化，验证了反应物NaOH被消耗，从而证明了化学反应的发生。

那么，我们这样设计实验方案的依据是什么呢？梳理一下，可以得出我们的基本出发点：先用离子方程式表示这个反应发生的实质为：H++OH-=H2O，据此，我们从反应物被消耗的视角，采用定性验证的方法证明在反应过程中c（OH-）降低。同样地，我们也可以设计更为精确的定量实验方案：利用pH计连续测定在滴加稀盐酸的过程中溶液pH的变化，通过描点法作图得到一条酸碱滴定曲线，由曲线的变化趋势依然可以得出反应过程中c（OH-）降低，进而验证了NaOH和稀盐酸发生了反应。

当然，不论是从反应物被消耗的视角、还是从有新物质生成的视角，紧紧抓住物质的性质，我们可以引导学生设计更为开放的实验方案，获得溶液中H+或OH一被消耗的证据，如启发学生设计如下实验方案。

[实验方案设计]取两支试管，分别加入5mL1mol/L的盐酸溶液，向试管①中先加入1mL水，然后加入1g打磨过的镁条;向试管②中先加入1mL 1mol/L的NaOH溶液，然后加入与试管①相同的镁条，分别观察两支试管的现象。充分反应后，若试管①中收集H2的体积大于试管②，则说明试管②中的盐酸与加入的NaOH发生了反应，如下图2所示。

更进一步，对于探究未知的化学反应，开展实验方案设计时我们首先要引导学生尝试写出可能发生的化学反应方程式，然后依据书写出来的化学方程式设计相应的实验方案，进一步确认这个反应方程式是否成立，这个过程本身就是一个科学探究過程的开始。因此，对于许多新物质的制备与合成，没有前人相应的实验经验，我们该如何去操作呢？很多时候，科研人员都是依据一些已有的化学反应原理和规律，首先进行猜想并预测可能发生的化学反应，通过进一步的设计实验并收集证据确认生成物的存在，再通过建立一定的化学理论对其进行恰当且合理的解释，最终形成研究结论。

三、基于探究型实验方案设计的专题式复习教学实践

1.引题

[教师]明确化学反应的基本特征，归纳根据物质发生化学反应时的现象，可分为有明显现象的反应和无明显现象的反应，如下图3所示。进而引导学生思考：我们该如何证明这些化学反应都真实发生了呢？进一步引出课题：“证明化学反应发生的方法”。

2.证明有明显现象化学反应的发生

[素材1]红热的铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气反应装置图4所示：

[教师]在这个实验中，我们仅通过观察肥皂液中产生气泡，能證明反应一定发生了吗？

[学生1]可以。肥皂液中的气泡可以说明反应生成了氢气。

[学生2]（反问）不行吧…？产生的气泡也有可能是试管中的空气受热膨胀逸出了。

[教师]（追问）那需要如何进一步操作，证明气泡是氢气呢？

[学生3]可以用火柴点燃肥皂泡，当听到爆鸣声并看到淡蓝色火焰后，则证明生成了氢气。

[教师]非常准确。在此，我们从有新物质HZ生成的角度证明了反应的发生。同样地，同学们是不是也可以尝试设计实验，检验Fe3O4的生成呢？

[提示]注意反应后剩余固体的成分，可能存在反应物Fe粉剩余的情况。

[学生4]实验方案的设计思路：为排除剩余固体中存在Fe粉的干扰，向反应后的固体中先加入足量的 CuSO4溶液，经充分反应后分离、洗涤得到固体，再加入足量6mol/L硫酸溶解（反应过程中需微热），选取试剂分别检验溶液中的Fe2+和Fe3+，实验流程如图5所示：

[教师]此外，我们也可以采用现代化学仪器分析的方法，用X射线衍射仪测定反应后固体物质的成分，发现除铁粉外，有Fe3O4生成。

[素材2]SO2和FCCl3的反应：

[教师]依据SO2和FeCl3两种物质的性质预测：将SO2通入FeCl3溶液中，能否发生化学反应？若可以，写出可能发生反应的离子方程式。

[学生]SO2有较强的还原性，FeCl3有较强的氧化性，两者可能发生氧化还原反应：SO2+2Fe3++2H2O=2Fe2++SO42-+4H+。

[教师]若反应发生，预期能看到什么现象？

[学生]溶液由黄色变为浅绿色。

[教师]让我们通过实验来验证一下。

[实验]将SO2通入0.1mol/L FeCl3溶液（pH=1.78），一段时间后，观察到溶液变为浅绿色，实验装置如图6所示。

[教师]依据上述现象，判断化学反应发生了吗？。

[学生]发生了，溶液由黄色变为浅绿色，说明有Fe2+生成。

[教师]实验现象与预测一致。此外，除通过观察溶液的颜色变化，还能怎样设计实验，证明反应发生了呢？

[学生1]用K3[Fe（CN）6]溶液检验C中溶液含有Fe2+，证明反应发生。

[学生2]用稀盐酸、BaCl2溶液检验C中溶液含有SO42-，证明反应发生。

[学生3]检验C中溶液pH改变，证明反应发生。

[教师]上述3位同学的实验方案，都能获得可信的证据，证实SO2和FeCl3的反应发生了吗？

[学生4]检验C中溶液pH改变，不足以证实反应的发生，因为通入的SO2也可以和水发生反应，生成H2SO3，使溶液的pH发生变化。

[教师]非常好。那么，如何改进实验，排除可能生成H2SO3的干扰呢？

[学生5]需要设计对比实验，方案如下：取0.1mol/L KCl溶液，滴加盐酸至pH=1.78，持续通入SO2，测定溶液的pH，并与上述实验进行比较。

[教师]很准确。因此，我们在通过实验现象寻找证据时，要特别注意证据的准确性和唯一性;基于获得的证据进行逻辑推理时，要保证基本的审慎。

[教师]接下来，请同学们对“证明化学反应发生的方法”进行小结，我们能从哪些角度和路径，采用哪些方法去证明？

[学生1]通过观察变化过程中的一些“特征现象”，对反应发生与否进行初步判断。

[学生2]通过设计实验，检验生成物存在。

[学生3]通过设计实验，检验反应物消耗。

[学生4]除定性角度，也可以从定量角度证明，如反应体系的质量、体积，pH的变化…

通过师生间的互动讨论，引导学生从定性角度和定量角度分别进行思考，在梳理上述2个问题的解决过程中形成证明化学反应发生的一般思路和方法，如表1所示：

3.证明无明显现象化学反应的发生

[素材3]亚硫酸钠（Na2SO3）为白色粉末状固体，是实验室中一种常见的化学试剂。在工业上用于制备亚硫酸纤维素醋，作还原剂、防腐剂、去氯剂等。Na2SO3露置于空气中易变质，其变质过程无明显现象。

[教师]写出Na2SO3发生变质时的化学方程式，思考：如何测定一份久置亚硫酸钠样品中Na2SO3的含量呢？

[学生1]发生变质时的化学方程式：2Na2SO3+O2=2Na2SO4。

[学生2]一瓶未知亚硫酸钠样品的成分可能存在下列3种情况，如表2所示：

[教师]基于以上分析，我们如何利用反应前后物质性质的差异设计实验，测定Na2SO3的含量呢？

[启发]实验方案设计的关键是找出设计的依据，我们可以这样思考问题：样品中若存在未变质的Na2SO3，可以依据其性质，将Na2SO3转化为可测量的物质，如SO2气体或S沉淀等进行测定;样品中若存在变质生成的Na2SO4，也可以依据其性质，将Na2SO4转化为可测量的物质，如BaSO4沉淀进行测定[4]。

[教师]请同学们设计出不少于两种测定久置亚硫酸钠样品中Na2SO3含量的实验方案，并对方案的可行性、安全性和准确性进行论证。

[学生方案1]称取一定质量的固体样品加水配成溶液，加入足量的硫酸溶液，将生成的气体用足量碱石灰吸收，依据反应前后碱石灰固体的增重，计算样品中Na2SO3的含量。在此实验条件下需要准确测量SO2的质量;SO2是一种有毒气体，容易造成环境污染。

[学生方案2]称取一定质量的固体样品加水配成溶液，先加入足量的盐酸溶液，充分反应至不再产生气泡，再加入足量的BaCl2溶液，充分反应后将生成的沉淀进行过滤、洗涤、干燥处理，称量生成BaSO4的质量，据此计算样品中Na2SO3的含量。此方案实验结果较为准确;但在前期酸化时，会有一定量的SO2气体逸出，造成环境污染。

[学生方案3]称取一定质量的固体样品（m1）加水配成溶液，加入足量的H2O2溶液充分反应，将反应后的溶液蒸发结晶，称量所得固体的质量（m2），则（m1-m2）为氧元素的质量，即为样品中剩余Na2S03的质量，据此计算Na2SO3的含量。此方案实验结果较为准确，实验过程中不会产生SO2气体污染环境。

在课堂上，学生对“设计思路①”讨论比较集中，部分学生还设计了如图7所示的装置完成实验。其主要实验步骤为：按图组装仪器并检查装置的气密性;实验开始时先打开止水夹K1、K2，关闭止水夹K3，向装置中缓缓鼓入一定量的N2;然后关闭止水夹K1、K2，打开止水夹K3，从分液漏斗中滴入浓硫酸，直到不再产生气体时停止。此时，再次打开止水夹K1，缓缓鼓入一定量的N2。

应该说，实验装置的设计过程，亦是下列问题的讨论和解决过程，不仅使设计的实验方案更加完整和严谨，学生探究的过程也在很大程度上增加了课堂教学的弹性。

[讨论1]欲测定样品中Na2SO3的质量分数，需要获得哪些实验数据？

[讨论2]实验过程中需要两次缓缓鼓入一定量的N2，其实验目的分别是什么？

[讨论3]实验装置B、D的作用分别是什么？

[讨论4]误差分析：

（1）实验开始时未缓缓鼓入一定量的N2。

（2）滴加浓硫酸至不再产生气体时，未缓缓鼓入一定量的N2。

（3）缺少装置B中的浓硫酸。

（4）缺少装置D中的碱石灰。

[小结]上述实验方案设计中，我们都需要通过物质检验去验证化学反应的发生。那么，物质检验的基本依据是什么呢？

[学生1]可以利用物质的典型性质检验物质，如物质的特征颜色、溶解性、酸碱性、氧化还原性和特性等。

[学生2]利用反应前后物质性质的差异验证物质的消耗或生成[5]。

4.复杂体系的综合探究

[素材4]向5mL 0.05mol/L FeCl3溶液中加入5mL0.05mol/L KI溶液，充分反应后将溶液均分置于两支试管中，如图8（a）。向试管①中加入CCl4，振荡、静置;向试管②中滴加3滴1mol/L KSCN溶液，分别观察两支试管中溶液的颜色变化。

[教师]依据上述实验现象，判断FeCl3和KI的反应发生了吗？其判断依据是什么？

[学生]试管①加入CCl4，振荡、静置后分层，下层溶液呈紫红色，说明反应生成了I2，如图8（b）;试管②加入KSCN溶液后，溶液呈红色，说明反应后溶液中依然存在Fe3+，如图8（c）。

[追问]那么，反应究竟发生了没有呢？

[学生]肯定发生了，因为检测到生成物I2的存在。

[教师]同学们或许会疑惑：在反应过程中，我们依据反应物物质的量的比例关系，等物质的量加入反应物，反应后生成物I2和反应物Fe3+同时存在，这是什么原因呢？

[学生]（讨论后回答）Fe3+和I-的反应有一定限度，在这个反应体系中存在平衡：2Fe3++2I-■2Fe2++I2。

[教师]非常正确。因此，对于验证有一定限度的化学反应的发生，有的时候，我们不好直接验证反应后某一反应物的明显减少或消失，我们更需要从发生化学反应的本质特征有新物质生成去证明。

[素材5]资料显示：“O2的氧化性随溶液pH的增大而逐渐减弱”，某同学探究不同条件下KI与O2的反应，装置及药品如表4所示。

[教师]依据现象我们可以得出：在酸性环境中，O2可以氧化KI。对比在碱性溶液中，O2仍然具有一定的氧化性。那么，O2氧化KI的反应就不能发生吗？

[资料]在碱性溶液中，I2可以和溶液中的OH-发生反应而消耗：3I2+6OH-=5I-+IO3-+3H2O。[教师]如何设计实验，证明在碱性溶液中，O2也可以氧化KI，反应中生成了I2呢？

[学生]（师生讨论后汇报）为了排除溶液中的KOH对检验生成物I2造成的干扰，可以在原电池装置中完成实验，装置如图9（a）。实验时，向烧杯a中通入O2后，若观察到电流表指针偏转，如图9（b）;烧杯b中溶液变为蓝色，如图9（c），则说明有I2生成，进而证明在碱性条件下，O2可以氧化KI。

[教师]在这个实验方案设计中，通过改变实验装置，消除了在一支试管中进行实验而产生的物质间相互作用的影响，从而证明了化学反应的发生。

5.课堂小结：归纳思路，巩固方法

[教师]本节课我们从探究酸和碱发生中和反应出发，结合我们之前学过一些具体的化学反应，建构了证明化学反应发生的基本思路和方法：其核心出发点是“变”字，物质改变、状态改变、性质改变、质量改变等等，抓住变化这个本质，进行多角度、开放性的实验方案设计就有了根基和灵魂。我们可以从定性角度，依据物质的性质设计实验，证明反应中有新物质生成是本质，证明反应后某反应物明显减少或消失是辅助;也可以从定量角度，证明在反应体系中反应物的质量或体积、溶液的pH等发生了明显数量的改变，从而证明一个化学反应的发生。其思维框架如图10所示。

四、教学效果分析及教学反思

基于“证明化学反应发生的方法”这一主题，进行探究型实验方案设计的高三专题式复习。在单元教学中，围绕5個典型的探究内容展开教学。在课堂推进过程中，关注学生总复习阶段基础知识的落实、证明“化学反应的发生”基本思路和方法的建构和形成;重点强调实验方案设计时设计依据的明确，突出发展学生“科学探究与创新意识”的化学学科素养。在此过程中，学生在课堂上高参与、高投入，衍生出诸多教学生长点。例如：在证明Fe3+和I-的反应有一定限度时，学生提出需要考虑建立平衡时反应的速率问题。在实验过程中，FeCl3溶液和KI溶液等物质的量混合后，待溶液颜色不再改变时，才能检验Fe3+的存在，否则不足以证明反应存在限度。作为教学中的主体，学生充分调用所学知识并逐步形成解决问题的分析思路;在师生、生生的有效互动下，课堂上产生新的认知冲突，并得到进一步解决。

与此同时，对于总复习阶段探究内容（素材）的选取，还可以更加多元与开放，比如将光谱技术、手持技术等数字化实验融入其中，教师带领学生读图识表，进一步提升学生对表格数据的分析和判断能力，使总复习的课堂教学更加多元和立体，还需要进行更多有益的探索。

参考文献

[1]王景，陈元庆.“化学实验方案设计”高考考点分析及其教学实践[J].化学教学，2020（1）：90-93

[2]郭高峰.对高考探究型实验方案设计的分析与思考[J].实验教学与仪器，2018（5）：5-7

[3]周萍.例谈思维建模在实验方案设计与评价中的运用[J].化学教学，2019（6）：83-87

[4]夏建华.数字化实验与中学化学教学深度融合[M].合肥：安徽教育出版社，2016：121-122

[5]仇永红，何彩霞.依托化学实验深入理解化学反应——以“如何验证无明显现象的化学反应”复习课教学为例[J].教学仪器与实验，20160）：27-31

*本文系北京市教育学会化学教学研究会开展的中国教育学会教育科研一般性课题《基于高中生跨学科问题解决能力培养的教学实践研究》（课题编号：2019001718068）部分研究成果。